非结球白菜耐热性关键基因与调控通路的比较生理与转录组学分析

本研究针对非结球白菜(Brassica campestris ssp. chinensis)在高温胁迫下的分子响应机制，通过比较耐热品种"SHI"和热敏感品种"aijiaohuang"的生理指标和转录组数据，鉴定出内质网蛋白加工、光合作用和植物激素信号转导等关键通路，挖掘出MYB-related、HSP20和DBB等核心基因，为培育耐热蔬菜品种提供了重要理论依据。

　　

随着全球气候变暖加剧，高温胁迫已成为威胁农作物生产的重要环境因素。非结球白菜作为我国重要的叶菜类蔬菜，其夏季栽培常因高温导致生长受阻、品质下降和病害加重。然而，目前关于非结球白菜耐热分子机制的研究相对匮乏，这严重制约了耐热品种的选育进程。

针对这一科学问题，上海市农业科学院园艺研究所的研究人员开展了系统研究。他们选取耐热品种"SHI"和热敏感品种"aijiaohuang"为材料，通过比较生理学和转录组学分析，揭示了非结球白菜响应高温胁迫的分子机制。相关研究成果发表在《BMC Plant Biology》上。

研究人员主要采用了以下关键技术方法：(1)38℃/25℃(光照14h/黑暗10h)的模拟高温处理；(2)生理指标测定包括叶绿素含量、抗氧化酶活性(POD、SOD)和渗透调节物质含量；(3)多时间点(0、6、24h)的RNA-seq转录组分析；(4)加权基因共表达网络分析(WGCNA)挖掘核心模块和基因；(5)qRT-PCR验证关键基因表达模式。

生理差异分析显示，耐热品种"SHI"在高温胁迫下表现出更高的叶绿素含量和更稳定的抗氧化酶活性变化模式。与热敏感品种相比，"SHI"的过氧化物酶(POD)活性呈现波动式变化，而超氧化物歧化酶(SOD)活性则在胁迫后期显著回升。渗透调节物质如脯氨酸和可溶性蛋白的含量变化也显示出品种间显著差异。

转录组测序共获得118.68Gb高质量数据。差异表达基因分析发现，两个品种在未处理状态下就存在显著差异，主要体现在对含氧化合物的响应、细胞壁组成和氧化还原酶活性等方面。高温胁迫6小时后，光合作用和质体组成相关通路成为主要差异所在；而24小时后，内质网腔和邻甲基转移酶相关通路差异最为显著。

热激蛋白家族分析揭示，HSP20和HSP70在高温胁迫下主要上调表达，而HSP90则多呈下调趋势。值得注意的是，BraC01g016280(HSP20)、BraC03g016780等基因在两个品种中表现出截然不同的表达模式，暗示这些基因可能在耐热性形成中发挥关键作用。

植物激素信号通路分析表明，生长素信号转导中的AUX1和TIR1基因在"SHI"中呈现特异性上调。在乙烯信号通路中，热敏感品种的ETR、CTR1和EIN3基因表达量随胁迫时间延长持续升高，而耐热品种则保持相对稳定。这些差异可能解释了两个品种对高温的不同响应策略。

内质网蛋白加工通路分析发现，分子伴侣(如HSP40、HSP70、HSP90)和未折叠蛋白响应相关基因在胁迫早期显著上调。耐热品种表现出更丰富的内质网蛋白加工相关差异基因，包括腔体分子伴侣NEF、GRP94和分子伴侣BiP等，提示其具有更强的蛋白质量控制能力。

通过WGCNA分析，研究人员鉴定出四个关键模块：darkgreen模块(与激素响应相关)、yellow模块(与热激蛋白折叠相关)、blue模块(与非编码RNA加工相关)和turquoise模块(与光合作用相关)。这些模块中筛选出的核心基因包括MYB-related转录因子(BraC10g000820)、HSP70(BraC05g012920)和DBB家族基因(BraC04g024920)等。

研究结论与讨论部分指出，非结球白菜通过多途径协同响应高温胁迫：1)激活热激蛋白表达维持蛋白质稳态；2)调控植物激素信号转导重编程生长发育；3)增强内质网蛋白加工能力应对错误折叠蛋白；4)调整光合作用效率适应胁迫环境。这些发现不仅深化了对十字花科蔬菜耐热机制的理解，而且为分子育种提供了重要靶基因。特别是鉴定出的MYB-related、HSP20和DBB等核心基因，可作为耐热性状的分子标记，加速耐热品种选育进程。

该研究的创新点在于首次系统比较了非结球白菜耐热与热敏感品种的转录调控网络差异，并通过WGCNA挖掘出关键模块和核心基因。未来研究可对这些候选基因进行功能验证，并探索其在其他作物耐热性中的应用价值。此外，研究建立的生理指标评价体系也为蔬菜耐热性鉴定提供了可靠方法。